3. Підсилювачі на біполярних транзисторах

1. Основні параметри підсилювальних каскадів

на біполярних транзисторах

Для розрахунку основних параметрів підсилювального каскаду на біполярному транзисторі - коефіцієнтів підсилення змінних складових струму і напруги, вхідного та вихідного опорів - зручно представити біполярний транзистор у вигляді чотириполюсника, описаного в системі - параметрів (рис.3.1).

До входу транзистора підключений генератор вхідного сигналу: джерело напруги з внутрішнім опором , а на виході транзистор навантажений опором , через який тече струм . Вхідна напруга та вихідний струм транзистора виражаються через та

відомими формулами - рівняннями транзистора у - параметрах:

(3.1а)

(3.1б)

Очевидно, що , а напруга на опорі навантаження дорівнює

(3.2)

Коефіцієнт підсилення за струмом є відношення струму, який тече через навантажувальний опір, до вхідного струму:

Вводячи в (3.1б) вираз (3.2), одержимо:

; (3.3)

Вхідним опором підсилювача називають відношення вхідної напруги ло вхідного струму . Підставивши сюди значення з формули (3.1а) і виразивши через струм

одержимо

(3.4)

Отже, вхідний опір підсилювального каскаду виявляється залежним не лише від - параметрів транзистора, але й від величини опору навантаження, Причина цьому - наявність внутрішнього зворотного зв’язку через параметр , який пов’язує вхідну напругу з вихідною напругою . Слід зауважити, що оскільки у більшості транзисторів параметр дуже малий, то другий доданок у формулі (3.4) буває звичайно набагато меншим від першого і ним можна нехтувати, так що величину вхідного опору можна приблизно вважати рівною .

Коефіцієнтом підсилення за напругою є відношення напруги на виході підсилювача до напруги на його вході:

(3.5)

Підставивши в (3.5) раніш знайдені та , котре у першому наближенні можна вважати рівним , одержимо вираз для коефіцієнта підсилення за напругою:

. (3.6)

Для розрахунку вихідного опору підсилювального каскаду треба дещо модифікувати схему, зображену на рис.3.1. Замість навантажувального опору треба увімкнути пробну е.р.с. , що створює на виході чотириполюсника напругу , а е.р.с. , що була на його вході, видалити зі схеми, зберігши, однак, її внутрішній опір (рис.3.2).

Вихідним опором вважається відношення напруги до струму , що нею створюється у вихідному колі чотириполюсника

Підставивши сюди значення з рівняння (3.1б), дістанемо

(3.7)

Щоб знайти тепер взаємозв’язок між струмом та напругою , повернемося знову до рівняння (3.1а). Як видно з рис.3.2, напруга тут створюється струмом , що протікає через опір . Отже, і

Підставивши цей вираз в (3.7). одержимо

. (3.8)

Тут так само, як і раніш, з причини мализни параметра другим доданком в (3.8) можна нехтувати і у першому наближенні вважати, що .

Одержані вирази (3.1) - (3.8) справедливі як для увімкнення транзистора за схемою СБ, так і за схемою СЕ. Слід лише конкретизувати значення - параметрів транзистора, додаючи нижній індекс «Е» для увімкнення за схемою зі спільним емітером, або «Б» для увімкнення за схемою зі спільною базою.

Для оцінки можливих значень всіх цих величин візьмемо як приклад деякі типові значення - параметрів біполярного транзистора середньої чи малої потужності, увімкненого за схемою зі спільним емітером: та Нехай опір навантаження становить кОм, а внутрішній опір генератора Ом. Підставивши ці значення в наведені вище формули, одержимо

Ом

кОм

Для порівняння аналогічні оцінки можна зробити і для підсилювача. у якому той же біполярний транзистор увімкнений за схемою зі спільною базою, перерахувавши наведені вище - параметри у -параметри. Тоді Ом, , , Сим і параметри підсилювального каскаду СБ становитимуть:

Ом

кОм

Порівнюючи одержані результати, можна дійти таких висновків:

а) коефіцієнти підсилення за струмом та напругою в підсилювачі зі спільним емітером виявляються від’ємними. Цей факт вказує на те, що такий підсилювач інвертує фазу підсилювального сигналу. А позитивні значення та для СБ - підсилювача означають, що тут фаза підсилювального сигналу інверсії не зазнає;

б) модуль коефіцієнта підсилення за струмом досить великий і близький до , тоді як у СБ - підсилювачі підсилення за струмом просто немає. Що ж до коефіцієнта підсилення за напругою, то їх модулі в обох випадках майже однакові;

в) упадає в очі значна різниця у величинах вхідного та вихідного опорів: для СЕ - підсилювача більше в 27 разів, а для СБ - підсилювача аж в 7000 разів.

Малий вхідний опір є істотним недоліком підсилювачів на біполярних транзисторах. Вхідний опір каскаду разом з внутрішнім опором генератора утворюють подільник напруги, так що до входу каскаду доходить лише частина тієї напруги , яку створює джерело вхідного сигналу:

За цією ознакою (тобто за величиною напруги, що доходить до входу каскаду) СБ - підсилювачі значно гірші за СЕ - підсилювачі. Дійсно, якщо за ефективний коефіцієнт підсилення вважати відношення , то для розглянутого вище прикладу воно буде рівним -138 для підсилювача СЕ і лише 18.3 для СБ - підсилювача.

Великий вихідний опір підсилювального каскаду також є його істотним недоліком, оскільки більша частина його вихідного сигналу буде спадати на внутрішньому вихідному опорі каскаду, не доходячи до входу наступного пристрою, яким цей каскад навантажений. За цими ознаками СБ - підсилювач також програє у порівнянні з СЕ - підсилювачем. Ось чому увімкнення транзистора зі спільним емітером застосовується в підсилювальних схемах значно частіше, ніж увімкнення зі спільною базою. З цієї причини в подальшому ми будемо в основному розглядати підсилювальні каскади, в яких транзистор увімкнений за схемою зі спільним емітером.

Втім, слід відзначити, що підсилювачі зі спільною базою мають і деякі позитивні якості, про як йтиме мова далі: їм притаманна більш висока порівняно з СЕ - підсилювачами температурна стабільність та спроможність успішно працювати до більш високих частот. Їх великий вихідний опір виявляється інколи не недоліком, а перевагою, наприклад, у схемах резонансних підсилювачів.